DE2522160A1

DE2522160A1 - Sonnenkollektor

Info

Publication number: DE2522160A1
Application number: DE19752522160
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl Phys Dr Hermann; Horst Dipl Phys Dr Hoerster
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1975-05-17
Filing date: 1975-05-17
Publication date: 1976-11-25
Also published as: US4091793A; GB1532685A; SE7605492L; FR2312000B1; JPS5410730B2; FR2312000A1; JPS51140248A; CA1063463A

Description

252216Ό

PHILIPS PATElfTVERWALTUHG GMBH, 2 Hamburg 1, Steindamm 94-

Sonnenkollektor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenkollektor mit einem Absorber zur Übertragung der durch Sonnenstrahlung einfallenden Wärme auf ein fluides Transportmedium und einer den Absorber von der Außenatmosphäre trennenden wärmedämmenden transparenten Abdeckung, wobei sich zwischen

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- 2 Außenatmosphäre und Absorber ein Vakuum befindet.

Sonnenkollektoren sollen den Hauptteil des Strahlungsspektrums des Sonnenlichtes in Wärme umwandeln und diese mit möglichst hohem Wirkungsgrad an ein fluides Transportmedium, z.B. Wasser, austauschen. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades sollen Sonnenkollektoren nach Möglichkeit folgende Eigenschaften besitzen:

a) hohe Absorption (Absorptionsvermögen0£ ;= 0,9) im gesamten Spektralbereich des Sonnenlichtes (A = 0,3 bis 2 /um)

b) geringe Emission (Emissionsvermögen β = 0,3) im Bereich der Wärmestrahlung (A = 3 bis 30 /um)

c) geringe Wärmeverluste durch Wärmeleitung und Konvektion

d) geringe thermische Kapazität

Bei höheren Betriebstemperaturen ist zur Erfüllung der Forderung c) eine Vakuumisolation erforderlich. Bekannte Sonnenkollektoren bestehen aus einer mit dem Transportmedium gefüllten Wärmeleitung als Absorber, welche von einem evakuierten Glasrohr umgeben ist. Das Glasrohr ist mit einer ultrarotreflektierenden Schicht bedeckt, so daß es die Sonnenstrahlung gut überträgt, die Infrarotstrahlen aber zurückhält und somit

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Strahlungsverluste vermeidet. Ferner sind Sonnenkollektoren bekannt, bei denen der mit dem Värmeaustauschmedium gefüllte rohrförmige Absorber in einer Art Dewar-Gefäß angeordnet ist. In beiden Fällen müssen die rohrförmigen Absorber vakuumdicht aus einem Glasrohr herausgeführt werden. Dies ist schwierig und umständlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Sonnenkollektoren zu schaffen, bei denen keine Vakuumdurchführungen und komplizierte Glasbauteile erforderlich sind.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem flachen Sonnenkollektor dadurch gelöst, daß die Abdeckung aus einer Anzahl neben- und aneinanderliegender, verschlossener und evakuierter Glasrohre besteht.

Derartige evakuierte Glasrohre lassen sich ohne Schwierigkeiten herstellen. Der mit dem fluiden Transportmedium in Verbindung stehende Absorber liegt hinter den evakuierten Glasrohren in einem luftgefüllten Raum, so daß zwischen den Glasrohren und dem Absorber keine Vakuumverbindung besteht.

Bei horizontaler Lage der Glasrohre können zur Unterdrückung der Konvektionsverluste die Glasrohre direkt auf dem Absorber aufliegen. Bei schräger oder vertikaler Lage der Glasrohre sind diese dagegen in einem Abstand zwischen 2 und 25 mm vom Absorber angeordnet.

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Die evakuierten Glasrohre können lose nebeneinander angeordnet werden. Vorzugsweise sind sie jedoch, durch Kleben oder Verschmelzen miteinander verbunden.

Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der einzelnen Glasrohre 2 bis 10 cm; gegebenenfalls kann er jedoch erheblich größer gewählt werden. Bei gegebenem Rohrdurchinesser soll die Wandstärke des Rohres minimal und nur durch die mechanische Festigkeit des Rohres begrenzt sein. Zwecks Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Glasrohre können diese auf der Außenseite mit einer transparenten Lackschicht überzogen sein. Die Lacke sollen eine geringe Absorption im Spektralbereich der Sonnenstrahlung aufweisen, UV-beständig sein, einen Brechungsindex kleiner 1,4 haben und reflektierend für Wellenlängen λ> 2,5 /um sein. Silikonlacke erfüllen z.B. diese Forderungen.

Vorzugsweise sind die Glasrohre auf ihrer Innenseite wenigstens teilweise mit einer ultrarotreflektierenden Schicht bedeckt. Als ultrarotreflektierende Schichten kommen solche aus Silber, Gold und Zinndioxyd, vorzugsweise aber aus Indiumoxyd, in Betracht .

Zur Erhöhung der Transmission der Glasrohre können diese gemäß einer Weiterbildung nach der Erfindung auf ihrer Innenseite mit einer reflexionsvermindernden Schicht überzogen sein,

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welche der Bedingung

n.d = ~ genügt, wobei

η = Brechungsindex und
Λ = 0,6 /um ist.

Derartige reflexionsvermindernde Schichten können aus Cryolith (Na₂AlFg), Magnesiumfluorid (MgF₂) oder Siliziumoxyd (SiO_x, SiO₂) bestehen.

Zweckmäßigerweise ist die reflexionsvermindernde Schicht auf der ultrarotreflektierenden Schicht angebracht.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Sonnenkollektors nach der Erfindung sind zur Unterdrückung der Konvektion zwischen den Glasrohren sich quer zur Rohrachse bis zum Absorber erstreckende Trennfolien angebracht. Diese Trennfolien können z.B. aus Aluminium, Kunststoff oder Glas bestehen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sonnenkollektors nach der Erfindung sind die Glasrohre mit einer Glasscheibe zusätzlich abgedeckt. Hierbei kann der Raum zwischen den Rohren und der Glasscheibe entweder mit trockener luft oder einem Gas mit einer kleineren Wärmeleitfähigkeit als Luft gefüllt sein. Hiermit wird eine hervorragende Wärmedämmung erreicht.

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Der Absorber besitzt zweckmäßigerweise eine ebene metallische Platte, deren Oberfläche entweder nicht selektiv geschwärzt (06 «3 1 ; S ■» 1) oder geschwärzt ist und für Wärmestrahlung ein geringes Emissionsvermögen besitzt (Oc^" 0,9j £ — 0,3). Rohre und Absorber werden in einem Kasten montiert, dessen Seitenflächen und Rückseite mit einem Isolierstoff (Polyurethan, Glaswolle) von etwa 10 bis 50 cm Dicke wärmeisoliert ist.

Die Erfindung wird nunmehr anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Die Fig. 1 und 2 zeigen Querschnitte durch Sonnenkollektoren nach der Erfindung.

In Pig. 3 ist ein Sonnenkollektor nach der Erfindung mit eingesetzten Trennfolien dargestellt.

Pig. 4 zeigt einen Sonnenkollektor nach der Erfindung mit einer zusätzlichen Glasscheibe.

Die Sonnenkollektoren nach der Erfindung weisen mehrere neben- und aneinanderliegende Glasrohre 1 auf, die stirnseitig verschlossen und evakuiert sind. Die Glasrohre 1 können lose aneinanderliegen oder durch Kleben oder Verschmelzen o.dgl. miteinander verbunden sein. Auf ihrer Innenseite sind die Glas-

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rohre 1 mit einer ultrarotreflektierenden Schicht 2, z.B. aus InpO-r, bedeckt. Bei dem Sonnenkollektor nach Fig. 1 erstreckt sich die ultrarotreflektierende Schicht 2 lediglich über die untere Hälfte der Glasrohre 1, während bei den Sonnenkollektoren nach den Fig. 2 bis 4 die Glasrohre 1 innen vollständig mit ultrarotreflektierendem Material beschichtet sind.

Die Absorber 3 bestehen jeweils aus einer ebenen metallischen Platte 4, die mit Rohrleitungen 5 für ein Wärmetransportmedium, z.B. Wasser, in Kontakt stehen und mit einer Absorberoberfläche 6 versehen sind. Diese Absorberoberflächen 6 sind entweder nicht selektiv ausgebildet (öc« 1, £ä*1), oder sie sind geschwärzt und besitzen für Wärmestrahlung ein geringes Emissionsvermögen (06^ q,9; £ = 0,3). Die Glasrohre 1 sind in einem Abstand zwischen 2 und 25 mm vom Absorber 3 angeordnet.

In Fig. 1 sind die Glasrohre 1 und der Absorber 3 in einem kastenartigen Gehäuse 9 untergebracht, das rückseitig durch einen Isolierstoff 10 wärmeisoliert ist.

Bei dem Solarkollektor nach Fig. 3 sind zwischen den Glasrohren 1 sich quer zur Rohrachse bis zum Absorber 3 erstreckende Trennfolien 7 angebracht, die zur Unterdrückung der Konvektion zwischen den Glasrohren und dem Absorber dienen und z.B. aus Aluminium, Kunststoff oder Glas bestehen.

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Bei dem Sonnenkollektor nach Fig. 4 sind die Glasrohre 1 durch eine Glasscheibe 8 abgedeckt.

Bei allen Sonnenkollektoren können die Glasrohre 1 auf ihrer Innenseite mit einer nicht dargestellten reflexionsvermindernden Schicht überzogen sein, welche zweckmäßigerweise auf der ultrarotreflektierenden Schicht 2 angebracht wird. Auch können die Glasrohre zwecks Erhöhung der mechanischen Festigkeit auf ihrer Außenseite mit einer nicht dargestellten transparenten Lackschicht bedeckt sein.

Bei einer praktischen Ausführungsform eines Solarkollektors nach Fig. 2 beträgt der Durchmesser der Glasrohre 1 65 mm, ihre Wandstärke 1,2 mm und ihre Länge 100 cm. Die ultrarotreflektierende Schicht besteht aus Indiumoxyd mit einer Schichtdicke von 0,3 /um. Der Absorber 3 besitzt eine metallische Platte 4 aus Kupfer mit einer Dicke von 2 mm. Die Absorberoberfläche 6 besteht aus einem schwarzen Anstrich (z.B. Aquadakt) mit einer Dicke von "^ 0,2 mm und besitzt ein Absorptionsvermögen 06 = 0,95 und ein Emissionsvermögen £= 0,8. Der Abstand der Glasrohre 1 vom Absorber 3 beträgt 20 mm.

Mit einem derartigen Sonnenkollektor läßt sich bei normaler mitteleuropäischer Sonneneinstrahlung Wasser in den Transportrohrleitungen 5 auf eine Temperatur von 100⁰C erhitzen.

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Bei einer praktischen Ausfuhrungsform eines Sonnenkollektors nach Pig. 3 bestehen die Trennfolien 7 aus PVC oder Teflon und besitzen eine Dicke von 10 bis 100 /um.
Durch Einfügung dieser Trennfolien läßt sich gegenüber dem Sonnenkollektor nach Fig. 2 eine Wirkungsgradverbesserung von etwa 10 fo erreichen.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche;

;1 .· Sonnenkollektor mit einem Absorber zur Übertragung der durch Sonnenstrahlung einfallenden Wärme auf ein fluides Transportmedium und einer den Absorber von der Außenatmosphäre trennenden wärmedämmenden transparenten Abdeckung, wobei sich zwischen Außenatmosphäre und Absorber ein Vakuum befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung aus einer Anzahl neben- und aneinanderliegender, verschlossener und evakuierter Glasrohre ( 1) besteht.
2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei horizontaler Lage der Glasrohre ( 1 ) diese direkt auf dem Absorber ( 3) aufliegen.
3. Sonnenkollektor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei schräger oder vertikaler Lage der Glasrohre ( 1 ) diese in einem Abstand zwischen 2 und 25 mm vom Absorber ( 3) angeordnet sind.
4. Sonnenkollektor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasrohre ( 1 ) durch Kleben oder Verschmelzen miteinander verbunden sind.
5. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der einzelnen Glasrohre (1)2 bis 10 cm beträgt.

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6. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite der Glasrohre ( 1 ) mit einer transparenten Lackschicht überzogen sind.
7. Sonnenkollektor nach einem der bisherigen Anßprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasrohre ( 1 ) auf ihrer Innenseite wenigstens teilweise mit einer ultrarotreflektierenden Schicht ( 2 ) bedeckt sind.
8. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasrohre ( 1 ) auf ihrer Innenseite mit einer reflexionsvermindernden Schicht überzogen sind, welche der Bedingung

n.d = — genügt, wobei 4

η = Brechungsindex und
λ = 0,6 /um ist.
9. Sonnenkollektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsvermindernde Schicht aus Cryolith, Magnesiumfluorid oder Siliziumoxyd besteht.
10. Sonnenkollektor nach den Ansprüchen 7 bis 9_f dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsvermindernde Schicht auf der ultrarotreflektierenden Schicht (2 ) angebracht ist.

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11. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung der Konvektion zwischen den Glasrohren (1) sich quer zur Rohrachse bis zum Absorber (3) erstreckende Trennfolien (7) angebracht sind.
12. Sonnenkollektor nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasrohre (1) mit einer Glasscheibe (8) abgedeckt sind.

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